淺析大型液化烴球罐緊急切斷閥的設(shè)置及選型

杜 娟 劉 艷 韓青飛 李玉鳳

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

由于對化工原料和石油戰(zhàn)略儲備的需求不斷增加[1],以及能源結(jié)構(gòu)上低碳節(jié)能理念的倡導(dǎo)[2],中國已經(jīng)成為全球液化石油氣進口大國[3]。液化烴儲罐區(qū)是天然氣、石油及化工廠的重要組分部分[4]。液化烴易燃易爆,易汽化,壓力隨氣溫變化大,爆炸下限低,燃燒熱值高[5],因此液化烴儲罐區(qū)一旦發(fā)生泄漏,會迅速吸收環(huán)境熱量,引發(fā)蒸汽云,形成爆炸性氣體[6],遇到明火后會引起火災(zāi)爆炸事故,波及范圍廣,后果影響大[7]。為保證儲罐區(qū)的安全運行,近年來中國對危險化學(xué)品罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)(SIS)的要求越來越高[8],因此緊急切斷閥設(shè)置方案在危險化學(xué)品罐區(qū)中顯得尤為重要[9],尤其在大型儲備庫儲罐數(shù)量多、容積大的情況下,儲罐進出口緊急切斷閥的合理設(shè)置非常關(guān)鍵。為了儲罐區(qū)的安全運行,必須嚴格把控緊急切斷閥的設(shè)計和選型。

液化烴通常儲存在設(shè)計壓力大于或者等于0.1 MPa(罐頂表壓)的壓力球罐[10]或壓力臥罐中,儲存方法分為地上和地下[11]。地上儲存有常溫壓力儲存和低溫常壓儲存兩種方式,地下儲存大多指在洞庫等儲存[12]。本文主要以常溫壓力儲存中的大型全壓力式液化烴球罐為例進行研究。

1 設(shè)計方案研究

某項目有6座3 000 m3全壓力式液化烴球罐,直徑18 m,安全間距根據(jù)GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》布置[13],6座球罐布置在同一座防護墻內(nèi),防護墻尺寸114 m×83 m×0.6 m,根據(jù)安監(jiān)總管三〔2014〕68號《進一步加強化學(xué)品罐區(qū)安全管理通知》第六條的要求,在防護墻內(nèi)部采取單罐單隔堤的布置方式,平面布置見圖1。該項目中,每臺球罐設(shè)置雷達液位計和伺服液位計,罐頂設(shè)置就地壓力表和遠傳壓力表,罐底設(shè)置就地溫度計和遠傳溫度計[14],同時在整個罐區(qū)設(shè)置完善的FGS系統(tǒng)及時提醒操作人員采取安全措施[15]。如何對此大型全壓力式液化烴球罐設(shè)置緊急切斷閥成為該項目面臨的技術(shù)難題,本文根據(jù)現(xiàn)行國家法律法規(guī)、行政命令、標準規(guī)范及行業(yè)規(guī)定的要求,開展大型全壓力式液化烴球罐緊急切斷閥設(shè)置依據(jù)分析。

圖1 6座3 000 m3全壓力式液化烴球罐平面布置圖Fig.1 Layout of 6 fully pressurized liquefied hydrocarbon spherical tanks(3 000 m3)

1.1 設(shè)置依據(jù)

緊急切斷閥的設(shè)置在中華人民共和國應(yīng)急管理部、中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、GB 12337-2014《鋼制球形儲罐》、GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》、GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》(2018版)、SH 3136-2003《液化烴球形儲罐安全設(shè)計規(guī)范》及API STD 2510Design and Construction of LPG Installations等多項法律法規(guī)、行政命令、標準規(guī)范及行業(yè)規(guī)定中有明確規(guī)定[9]。

1.2 布置分析

對各項法律法規(guī)、行政命令、標準規(guī)范及行業(yè)規(guī)定中的相關(guān)內(nèi)容進行分析,將緊急切斷閥的布置要求分為三類,見表1。

綜上,全壓力式液化烴球罐進出口管線必須設(shè)置緊急切斷閥,且根據(jù)表1的布置分析,從安全角度出發(fā),提出以下優(yōu)化建議:建議大型全壓力式液化烴球罐進出口管線采用雙閥布置,靠近球罐側(cè)采用緊急切斷閥[8],設(shè)置獨立的SIS系統(tǒng)[16],同時增設(shè)遠程操作閥,可以實現(xiàn)手動關(guān)閉功能。

1.3 雙閥布置方案

儲罐進出口管線采用雙閥后面臨的問題是布置和選型,因法律法規(guī)和國內(nèi)標準規(guī)范未明確要求儲罐的緊急切斷閥布置在防護墻內(nèi)部還是外部,且連接形式有焊接和法蘭兩種選擇,故提出四種布置方案,見圖2。

對上述四種布置方案的優(yōu)缺點進行比較,見表2。

表1 全壓力式液化烴球罐進出口緊急切斷閥布置要求分析表

圖2 緊急切斷閥布置方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of emergency shut-off valve layout

表2 緊急切斷閥布置方案對比表

結(jié)合圖2和表2,推薦采用方案一:對大型全壓力式液化烴球罐進行雙閥布置;緊急切斷閥作為球罐的根部閥,布置在防護墻內(nèi),設(shè)置獨立SIS聯(lián)鎖系統(tǒng);遠程操作閥布置在防護墻外,可以實現(xiàn)遠程關(guān)閉功能。

2 緊急切斷閥的選型

2.1 緊急切斷閥閥體選型原則

緊急切斷閥作為在泄漏和火災(zāi)時隔離可燃介質(zhì)的一種方式,閥門的類型選擇取決于距離泄漏源的遠近,在火災(zāi)區(qū)域的任何閥門均應(yīng)為防火安全閥、閘閥或金屬密封球閥,高性能蝶閥均可作為防火安全閥[17]。

2.2 緊急切斷閥的執(zhí)行機構(gòu)

2.2.1 電動執(zhí)行機構(gòu)

電動執(zhí)行機構(gòu)包括電機、齒輪減速器、聯(lián)軸器、限位開關(guān)、扭矩限制開關(guān)、手輪、手輪自動斷開裝置、就地閥位顯示以及安全平穩(wěn)運行所需的其它部件。由于目前僅有較少廠家能對配套DN 80以上閥門的電動執(zhí)行機構(gòu)做到故障安全型,因此大多數(shù)情況下,電動執(zhí)行機構(gòu)不作為緊急切斷閥使用,僅作為過程操作,無關(guān)安全[18]。電動執(zhí)行機構(gòu)包括就地控制和遠程控制功能,無論就地還是遠程控制均可執(zhí)行開、關(guān)、停的控制能力,同時具備現(xiàn)場手輪操作閥門的能力。

2.2.2 電液執(zhí)行機構(gòu)

電液執(zhí)行機構(gòu)包括動力模塊和控制模塊,動力模塊包含電機、齒輪油泵、油箱、電磁閥等;控制模塊由電源、智能可控電機驅(qū)動器等組成。智能軟件是控制器的核心,可對執(zhí)行機構(gòu)的運行狀態(tài)進行自動監(jiān)測。

電液執(zhí)行機構(gòu)可分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸。單作用液壓缸電液執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)安全和工藝操作需要確定閥門的全開、全關(guān)等故障安全位置,失電情況下,彈簧復(fù)位執(zhí)行機構(gòu)可將閥門保持在安全位置。這種執(zhí)行機構(gòu)多用于緊急切斷,與安全相關(guān)。雙作用液壓缸電動執(zhí)行機構(gòu)在失電情況下,閥門處于位置保持狀態(tài)。這種執(zhí)行機構(gòu)通常用于過程操作,無關(guān)安全[19]。

2.2.3 氣動執(zhí)行機構(gòu)

氣動執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)包括氣動驅(qū)動裝置、電磁閥、閥位回信器、氣動三聯(lián)件(過濾器、減壓器、油霧器)、壓力表等[20],分為單作用彈簧復(fù)位式氣動執(zhí)行機構(gòu)和雙作用彈簧復(fù)位式氣動執(zhí)行機構(gòu)。單作用氣動執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)安全和工藝操作需要確定閥門的全開、全關(guān)等故障安全位置。故障情況下,彈簧復(fù)位執(zhí)行機構(gòu)可將閥門保持在安全位置。這種執(zhí)行機構(gòu)多用于緊急切斷,與安全相關(guān)。雙作用氣動執(zhí)行機構(gòu)在無外配儀表風罐的情況下,故障時處于位置保持狀態(tài)。這種執(zhí)行機構(gòu)通常多用于過程操作,無關(guān)安全[19]。

因此當罐區(qū)具備儀表風氣源可利用時優(yōu)先選擇氣動執(zhí)行機構(gòu)[21]，當罐區(qū)無儀表風氣源可利用時可選擇電液執(zhí)行機構(gòu)。對于儲罐區(qū),根據(jù)SH/T 3184-2017《石油化工罐區(qū)自動化系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》,需注意以下要求。

1)除非工藝有特殊要求,氣動執(zhí)行機構(gòu)的電磁閥不帶現(xiàn)場手動復(fù)位裝置,通常采用控制室邏輯復(fù)位。

2)當采用雙作用執(zhí)行機構(gòu)或采用單作用執(zhí)行機構(gòu)且閥門聯(lián)鎖位置與氣源故障位置不一致時,需配備儀表風罐。儀表風罐的容積需要滿足執(zhí)行機構(gòu)動作2個全行程的風量。

3)合理規(guī)定氣動開關(guān)閥的額定全行程時間,既要考慮儲運工藝的需要,又不應(yīng)因行程時間太短、閥門動作太快引起管道“水擊”或震動,造成開關(guān)閥、管道損壞或縮短壽命,額定全行程時間不宜短于10 s×閥門通徑(mm/100 mm)。

3 緊急切斷閥的工程應(yīng)用

經(jīng)過分析和比選緊急切斷閥的布置和選型方案,將此優(yōu)化建議應(yīng)用到某項目的6座3 000 m3全壓力式液化烴球罐上。球罐進出口緊急切斷閥布置見圖3,三維模型見圖4，聯(lián)鎖控制設(shè)備連線示意圖見圖5。

圖3 球罐進出口緊急切斷閥布置圖Fig.3 Layout of emergency shut-off valve at inlet and outlet of spherical tank

圖4 球罐進出口緊急切斷閥布置三維模型圖Fig.4 3D model of emergency shut-off valve layout for inlet and outlet of spherical tank

圖5 聯(lián)鎖控制設(shè)備連線示意圖Fig.5 Schematic diagram of interlocking control equipment connection

圖4中防護墻內(nèi)球罐進出口的第一道根部閥為氣動緊急切斷閥(SDV),對該閥設(shè)置了獨立的SIS系統(tǒng),狀態(tài)為事故關(guān)FC,該閥安裝位置緊挨球罐。防護墻外球罐進出口管線上的閥門為遠程操作閥(XV),狀態(tài)為事故保位FL。該閥進入DCS控制系統(tǒng),用于切換球罐進行收油或者倒罐等生產(chǎn)性工作,不參與SIS聯(lián)鎖。

當球罐液位達到高高時,聯(lián)鎖切斷球罐進口的SDV閥[4];當球罐液位達到低低時,聯(lián)鎖切斷球罐出口的SDV閥并聯(lián)鎖停泵。在中控室內(nèi)對SDV閥設(shè)置緊急按鈕,當罐區(qū)內(nèi)發(fā)生泄漏、管道破裂、火災(zāi)等事故時,利用輔助操作臺的火災(zāi)觸發(fā)按鈕第一時間切斷全部SDV閥。

該緊急切斷閥和遠程操作閥的雙閥設(shè)置方案經(jīng)過了第三方HAZOP分析和SIL分析結(jié)果表明該布置方案滿足現(xiàn)行法律法規(guī)和標準規(guī)范要求,并且安全可靠性高,操作靈活性好,對大型全壓力式液化烴球罐設(shè)計具有借鑒意義。

4 結(jié)論

1)本文基于法律法規(guī)、行政規(guī)定及標準規(guī)范中關(guān)于大型液化烴球罐進出口緊急切斷閥的設(shè)置內(nèi)容,經(jīng)過詳細對比分析研究,從生產(chǎn)作業(yè)的安全角度出發(fā),推薦大型全壓力式液化烴球罐進出口液相管道上設(shè)置雙閥,分別為緊急切斷閥和遠程操作閥。

2)經(jīng)過比選緊急切斷閥的布置方案,推薦緊急切斷閥靠近球罐布置,安裝位置宜盡量靠近球罐的第一道法蘭密封面,緊急切斷閥參與SIS安全系統(tǒng)控制,與球罐的高高液位、低低液位、可燃氣體探頭、火焰檢測器等聯(lián)鎖。

3)在球罐液相進出口管線上設(shè)置具有自動和手動關(guān)閉功能的遠程操作閥,推薦遠程操作閥布置在防護墻外,應(yīng)便于操作和維修且應(yīng)易于迅速接近,遠程操作閥參與DCS過程控制系統(tǒng),不參與SIS聯(lián)鎖。緊急切斷閥和遠程操作閥具備儀表風氣源可利用時,優(yōu)先選擇氣動執(zhí)行機構(gòu)。

4)本著安全生產(chǎn)的原則,推薦將本研究結(jié)果應(yīng)用在大型原油罐區(qū)和成品油罐區(qū)緊急切斷閥的設(shè)置上。